Программирование на языке пролог

В конце концов сложится ситуация, когда доказательство согласованности целевого утверждения девушказакончится неудачей и при этом будут также исчерпаны все решения для целевого утверждения парень.Программа не может более найти ни одной пары.

Все приведенные примеры являются очень простыми. Они содержат лишь определения большого числа фактов или используют правила для доступа к этим фактам. По этой причине они могут порождать только конечное число возможных решений. В некоторых случаях нам может потребоваться порождать бесконечное число возможных вариантов – не потому, что мы хотим рассмотреть их все, а потому, что мы не знаем заранее, сколько их понадобится. В этом случае необходимо рекурсивное определение (обсуждавшееся в предыдущей главе).

Рассмотрим следующее определение целого числа (здесь под «целым» числом понимается целое положительное число). Целевое утверждение целое_ число(N)согласуется с базой данных, если переменная Nконкретизирована и ее значением является целое число. Если переменная Nнеконкретизирована в момент рассмотрения целевого утверждения, то попытка найти соответствие для утверждения целое_число (N)приведет к тому, что будет выбрано целое число, которое будет присвоено N в качестве значения.

/* 1 */ целое_число(0).

/* 2 */ целое_число (X):- целое_число (Y),X is Y+1)

Если мы зададим вопрос

?- целое_число (X).

то получим в качестве возможных ответов все целые числа в порядке возрастания (0, 1, 2, 3,…), по одному числу каждый раз. Всякий раз, когда инициируется возврат (возможно, в результате ввода точки с запятой ';'), для предиката целое_числонаходится новое сопоставление, в результате чего его аргументу присваивается очередное целое число. Таким образом, это короткое определение порождает бесконечное число решений. Почему? На рис. 4.1, 4.2, 4.3 показана последовательность событий, приводящая к порождению трех первых решений. На каждом этапе самый нижний указатель (1) на рисунке указывает место, где впоследствии будет выбрано иное решение.Первоначально для ответа на вопрос имеется выбор между фактом 1и правилом 2. Если выбирается факт 1, то ничего более выбирать не придется, и мы получаем X = 0. В противном случае выбирается правило 2и ищется соответствие для цели, порождаемой этим правилом. Если выбирается факт 1, то завершается доказательство целевого утверждения с ответом X=1; в противном случае используется правило 2и снова ищется соответствие для появившейся подцели. И так далее. На каждом этапе первое что делает Пролог – это выбирает факт 1. Только при выполнении возврата он изменяет последний сделанный им выбор. Каждый раз, когда он это делает, он возвращается к тому месту, где в последний раз выбирал факт 1, и выбирает вместо него правило 2. При этом выборе появляется новая подцель. Факт 1представляет первую возможность для сопоставления с этой подцелью.

Рис. 4.1.

Рис. 4.2.

Рис. 4.3.

Большинство правил на Прологе будут порождать альтернативные решения, если они сопоставляются с целями, содержащими большое число неконкретизированных переменных. Например, отношение принадлежности элемента списку:

принадлежит(X,[X |_] ).

принадлежит(X,[_ |Y]):- принадлежит(X,Y).

порождает альтернативные решения. Если мы задаем вопрос

?- принадлежит(а,X).

(обратите внимание, что Xв вопросе является неконкретизированной переменной), то последовательные значения переменной Xбудут представлять частично конкретизированные списки, в которых аявляется первым, вторым, третьим и так далее элементом списка. Убедитесь, что вы понимаете, почему так получается. Другим следствием возврата, допускаемого при выполнении предиката принадлежит, является то, что вопрос

?- принадлежит(а,[а,b,r,а,с,а,d,а,b,r,а]).

фактически может быть согласован пятью способами.Очевидно, что имеются приложения предиката принадлежит, в которых требуется найти лишь одно решение, если оно вообще существует, и затем отбросить (обойти) остальные возможные решения. Такое отбрасывание оставшихся решений может быть реализовано с помощью «отсечения».

4.2. Отсечение

Этот раздел посвящен специальному механизму, используемому в программах на Прологе и называемому «отсечением» [8]. Отсечение позволяет указать, какие из сделанных ранее выборов не следует пересматривать при возврате по цепочке согласованных целевых утверждений. Существуют две причины, побуждающие включать в программу такие указания:

• Программа будет выполняться быстрее, так как не будет тратиться время на попытки найти новые сопоставления для целей, о которых заранее известно, что они не внесут более ничего нового в решение.

• Программа может занимать меньше места в памяти ЭВМ, так как отсутствие необходимости запоминать точки возврата для последующего анализа позволяет более экономно использовать память.

В некоторых случаях включение отсечения в программу может означать переход от программы, которая не будет работать, к программе, которая будет работать.

Синтаксически использование в правиле отсечения выглядит как вхождение целевого утверждения с предикатом '!', не имеющим аргументов. Как целевое утверждение этот предикат всегда согласуется с базой данных и не может быть вновь согласован. Однако он имеет побочный эффект, который изменяет процесс последующего возврата. Эффект заключается в том, что маркеры некоторых целей становятся недоступными, так что для этих целей нельзя найти новые сопоставления. Рассмотрим, как это происходит на примере. Предположим, что вы заведуете библиотекой и имеете базу данных на Прологе, содержащую информацию о наличии книг, о том, кто и какие книги взял и когда книги должны быть возвращены. Один из вопросов, который мог бы вас интересовать,- это какие виды услуг, предоставляемых библиотекой, доступны каждому из читателей. Некоторые услуги, которые мы могли бы назвать основными, должны быть доступны любому читателю. Они включают пользование каталогом и справочным бюро. С другой стороны, дополнительные услуги, такие как пользование абонементом или получение книг из других библиотек, хотелось бы предоставлять читателю выборочно. Одно из правил могло бы состоять в том, что если читатель не возвратил в указанный срок книгу, то дополнительные виды услуг ему недоступны до тех пор, пока он не вернет книгу. Здесь приведена часть программы, которая использует это правило:

услуги(Читатель,Вид_услуг):-

 книга_не_возвращена(Читатель,Книга),!,основные_услуги (Вид_услуг).

услуги(Читатель,Вид_услуг):-общие_услуги(Вид_услуг).

основные_услуги(пользование_каталогом).

основные_услуги(получение_справок).

дополнительные_услуги (абонемент).

дополнительные_услуги(межбиблиотечный_абонемент).

общие_услуги(X):-основные_услуги(X).

общие_услуги(X):-дополнительные_услуги(X).

книга_не_возвращена('С. Уотзер',книга10089),

книга_не_возвращена('А. Джонс', книга29907).

. . .

читатель('А.Джонс'). читатель('В.Метеск').

Зачем понадобилось использовать отсечение в этой программе и какой эффект оно оказывает? Предположим, что вы хотите просмотреть список всех читателей и определить, какие услуги им доступны. В этом случае вам надо обратиться к Прологу со следующим вопросом:

?- читатель(X), услуги(X,Y).

Начав поиск ответа, Пролог выберет первого читателя: А.Джонс.Предположим, что этот читатель имеет на руках несколько не возвращенных в указанный срок книг. Для того чтобы определить, какие услуги доступны ему, Пролог воспользуется первым утверждением для предиката услуги.Это приводит к появлению нового целевого утверждения – книга_не_возвращена.После небольшого поиска среди фактов книга_не_возвращенаобнаружен факт о первой не возвращенной А. Джонсом в срок книги (второй факт для этого предиката). Следующее целевое утверждение – это отсечение. Эта цель автоматически согласуется с базой данных, и в результате этого в системе закрепляются все решения, принятые с момента выбора первого утверждения услуги.

Мы можем представить ситуацию, возникшую непосредственно перед выполнением отсечения, в виде диаграммы, приведенной на рис. 4.4. Когда в программе встречается отсечение, то оно «отсекает» путь, представляющий цепочку выполненных доказательств таким образом, что следующая цель соединяется непосредственно с исходной (см. рис. 4.5). Результат действия отсечения в правиле для предиката услуги(утверждение 1) заключается в том, что все цели, выбранные с момента, когда было выбрано это правило, запоминаются в системе как неизменяемые при обратном просмотре.

Путь, представляющий цепочку найденных доказательств, при этом изменяется так, что исключаются все маркеры, соответствующие целям, расположенным между услугии отсечением включительно. Таким образом, если впоследствии произойдет возврат на точку! (отсечение), то попытка согласовать цель услугинемедленно потерпит неудачу. Система не будет рассматривать альтернативные решения для целевого утверждения книга_не_возвращена ('А. Джонс', Книга),и это совершенно разумно, так как мы интересуемся лишь тем, числится ли за читателем хотя бы однане возвращенная в срок книга, а не тем, каковы всекниги, числящиеся за ним. Утверждение 2 в предикате услугитоже рассматриваться системой не будет, так как при возврате обходится и выбор правила, в котором встречается отсечение. Такое поведение системы в рассматриваемой ситуации тоже является разумным, так как мы не хотим порождать решения, указывающие на то, что А. Джонсудоступны все услуги.

Рис. 4.4.

Рис. 4.5.

Действие отсечения в этом примере можно резюмировать следующим образом:

Если оказывается, что читатель имеет не возвращенную в срок книгу, то ему разрешается пользоваться лишь основными видами услуг, предоставляемыми библиотекой. Нет необходимости выявлять все книги, не возвращенные читателем в срок, равно как нет необходимости рассматривать какие-либо другие правила относительно услуг, предоставляемых читателю.

В этом примере использование отсечения привело к «сокращению» всех решений, принятых после выбора целевого утверждения услуги.Оно называется родительскимцелевым утверждением для отсечения, так как именно это целевое утверждение привело к использованию правила, содержащего отсечение. На наших диаграммах родительским целевым утверждением всегда является целевое утверждение, соответствующее наименьшему прямоугольнику, содержащему прямоугольник с '!'. Формальное определение эффекта, производимого отсечением, формулируется следующим образом:

Если отсечение встречается в качестве целевого утверждения, то после этого система лишается возможности изменять решения, принятые ею с момента вызова родительского целевого утверждения. Все альтернативы принятым решениям отбрасываются. Следовательно, попытка вновь доказать согласованность с базой данных любого целевого утверждения между родительским целевым утверждением и ! (отсечением) закончится неудачей.

Существуют различные способы описания того, что произошло с решениями, попавшими в область действия отсечения. Можно сказать, что эти решения отсекаются или замораживаются, что система лишается возможности изменять эти решения или что оставшиеся альтернативы отбрасываются. Можно также смотреть на символ отсечения как на некий разделитель (забор), отделяющий целевые утверждения. Так, при обработке конъюнкции целей

foo:- а, b, с,!, d, e, f

Пролог без каких-либо ограничений может выполнять возврат среди целей a, bи с до тех пор,пока доказательство согласованности целевого утверждения сс базой данных не приведет к тому, что Пролог «перешагнет» через «забор»! и приступит к доказательству согласованности целевого утверждения d. Далее возврат может осуществляться между целевыми утверждениями d, eи f, при этом, возможно, неоднократно будет достигаться согласованность всей конъюнкции целиком. Однако если произойдет неудача при доказательстве согласованности целевого утверждения d, что вызовет «перешагивание через забор» справа налево, то никаких попыток вновь доказать согласованность целевого утверждения сделаться не будет; доказательство согласованности конъюнкции целей в целом, а следовательно, и цели fooпотерпит неудачу.

Прежде чем перейти к рассмотрению других примеров с использованием отсечения, сделаем еще одно замечание. Мы сказали, что если отсечение появляется в некотором правиле и выбирается в качестве целевого утверждения, то Пролог-система лишается возможности изменять все решения, принятые с момента вызова родительского целевого утверждения.Это значит, что выбор этого правила и всех решений, принятых после него, становится зафиксированным. Далее мы увидим, что есть возможность указывать альтернативы в рамках одного правила,используя встроенный предикат ';' (обозначающий « или»). На выбор альтернатив, сделанный с использованием этой возможности, эффект отсечения действует точно так же, т. е. при отсечении фиксируются все « или»-выборы, сделанные с момента выбора правила, содержащего отсечение.

4.3. Общие случаи использования отсечения

Мы можем выделить три основных случая использования отсечения.

Первый связан с ситуациями, когда мы хотим указать Пролог-системе, что она нашла нужное правило для заданного целевого утверждения. В этом случае отсечение означает: «если вы дошли до этого места, то вы выбрали именно то правило, которое нужно для данного целевого утверждения».

Второй случай относится к ситуации, когда мы хотим указать Пролог-системе, что необходимо немедленно прекратить доказательство согласованности конкретного целевого утверждения, не пытаясь найти для него альтернативные решения. В этом случае используется конъюнкция отсечения с предикатом fail,что означает; «если вы дошли до этого места, то вам следует прекратить попытки доказать согласованность данного целевого утверждения».

К третьему случаю относятся ситуации, когда мы хотим закончить порождение альтернативных решений механизмом возврата. В этом случае отсечение означает: «если вы дошли до этого места, то вы нашли единственное решение задачи и никакой возможности найти другие альтернативные решения нет».

Теперь мы рассмотрим несколько примеров использования отсечения в перечисленных выше ситуациях. Однако необходимо помнить, что во всех этих случаях отсечение имеет один и тот же смысл. Выделение трех случаев использования отсечения обусловлено чисто методическими соображениями, чтобы показать, по каким причинам в программах могут использоваться отсечения.

При программировании на Прологе очень часто возникает желание использовать для описания одного предиката несколько утверждений. Одно утверждение будет использоваться, если аргументы имеют один вид, другое будет использоваться для аргументов иного вида и так далее. Часто мы можем указать, какое правило следует использовать для данного целевого утверждения, указав в качестве аргументов в заголовке правила необходимые образцы структур так, чтобы это правило могло быть сопоставлено лишь с соответствующими целевыми утверждениями. Однако это не всегда возможно. Если мы не можем сказать заранее, какого вида аргументы будут использоваться, или если мы не можем перечислить все множество возможных образцов аргументов, то мы можем принять компромиссное решение. Это значит, что задаются правила для аргументов определенных типов, а в конце задается правило-«ловушка» для всех остальных правил. В качестве примера такого способа рассмотрим следующую программу. Определим предикат сумма таким образом, что при выборе в качестве целевого утверждения сумма(N, X), где N– некоторое целое число, переменной Xприсваивается значение, равное сумме всех целых чисел от 1до N. Так, например, возможен следующий диалог:

?- сумма(5,X).

X = 15;

нет

Полученный ответ объясняется тем, что 1+2+3+4+5 равно 15. Здесь приведена соответствующая программа.

сумма(1,1):-!.

сумма(N,Результат):- N1 is N-1, сумма(N1,Результат),Результат is Результат+N.

Приведенное определение является рекурсивным. Идея состоит в том, что выход на граничное условие происходит в случае, когда первый аргумент равен 1. В этом случае ответ тоже равен 1. Второе утверждение вводит рекурсивное целевое утверждение сумма. Однако первый аргумент нового целевого утверждения на единицу меньше, чем первый аргумент в исходном целевом утверждении. Следующее целевое утверждение, которое будет порождено этим целевым утверждением, снова будет иметь первый аргумент на единицу меньше. И так далее до тех пор, пока не будет достигнуто граничное условие. Так как первый аргумент всегда на единицу меньше, то в конце концов произойдет выход на граничное условие (в предположении, что исходное целевое утверждение имеет первый аргумент не меньше 1) и выполнение программы закончится.

Представляет интерес то, как в этой программе организована обработка двух случаев: когда число, соответствующее первому аргументу, равно 1и когда оно отлично от 1. Когда мы определяли предикаты для обработки списков, то было легко указать два типичных случая: когда список был пустым ([]) и когда он имел вид [A|B].Для чисел это не так просто сделать, потому что мы не можем задать такой аргумент, который был бы сопоставим только с целым числом, не равным 1. Приемлемое решение в данном примере состоит в том, чтобы выделить случай, когда первый аргумент равен 1, и обеспечить сопоставление для всех остальных случаев с помощью переменной. Мы знаем, что в соответствии со стратегией, используемой при поиске в базе данных, Пролог сначала будет пытаться произвести сопоставление с правилом для 1, и только в случае неудачи он попытается использовать второе правило. Таким образом, второе правило используется только для чисел, не равных 1. Но этим дело не кончается. Если когда-либо Пролог будет выполнять возврат и попытается пересмотреть выбор правила с первым аргументом, равным 1, то он обнаружит, что второе правило тоже применимо. Как можно видеть, оба правила являются альтернативными для целевого утверждения сумма(1,X).Мы должны указать Прологу, что ни в коем случае не следует использовать второе правило, если число, соответствующее первому аргументу, равно 1. Один из способов сделать это – вставить отсечение в первое правило (как это и показано в записи этого правила). Это отсечение указывает Прологу, что если выбрано первое правило, то больше не следует принимать нового решения относительно того, какое правило использовать для целевого утверждения сумма. Вслучае если число, соответствующее первому аргументу, действительно равно 1, может произойти только выбор первого правила.

Давайте посмотрим, как все это выглядит на языке диаграмм. Если мы обратимся к предикату сумма(1,X)в следующем контексте:

выполнить:- сумма(1,X), foo(apples)

?-выполнить.

и для цели foo(apples)нет сопоставления, то к моменту, когда обнаружится несогласованность foo(apples)с базой данных, результат работы Пролога будет иметь вид, как показано на рис. 4.6. Если Пролог попытается найти новые сопоставления для целевых утверждений, просматривая их в обратном порядке, то обнаружится, что рассмотренные выше два альтернативных целевых утверждения не могут быть пересмотрены, так как они исключены из цепочки доказательства. Следовательно, наиболее верный путь – не пытаться найти другое сопоставление для предиката сумма(1,X).

Рис. 4.6.

Упражнение 4.1.Что произойдет в процессе возврата при попытке найти новое сопоставление для целевогоутверждения сумма,если из первого правила для предиката суммаудалить отсечение? Какие альтернативные результаты будут получены (если вообще они будут возможны) и почему?

Последний пример показал, как можно использовать отсечение для того, чтобы сделать поведение Пролога чувствительным к случаю, когда мы не можем выделить все возможные случаи путем перечисления образцов в заголовках правил. Более типичная ситуация, в которой мы не можем указать структуру заголовков правил для выполнения сопоставления, возникает, если мы хотим ввести дополнительные условия в виде целевых утверждений Пролога, позволяющих в процессе согласования с базой данных выбрать соответствующие правила. Рассмотрим следующий альтернативный вариант решения последнего примера:

сумма(N,1):- N =‹ 1,!.

cyммa(N,R):- N1 is N-1, сумма(N1,R1), R is Rl+N

В этом случае указывается, что первое правило следует выбрать, когда заданное количество суммируемых чисел меньше или равно единице. Такое определение правила немного лучше, чем предыдущее, потому что соответствующая ему программа даст ответ (вместо того чтобы выполняться бесконечно), если в качестве первого аргумента будет задан 0или отрицательное число. Если условие первого правила выполняется, то сразу же выдается результат 1и не требуется прибегать к рекурсивному порождению целевых утверждений. Второе правило следует попытаться использовать лишь в случае, когда это условие не выполняется. Мы должны указать Прологу, что если уже обнаружено, что N = ‹1, то не следует возвращаться к пересмотру выбора правила. Это как раз и достигается с помощью отсечения.

Общий принцип заключается в том, что использование механизма отсечения для указания Прологу на ситуации, когда он выбрал единственно правильное правило, может быть заменено использованием предиката not.Это встроенный предикат Пролога, т. е. определение этого предиката заранее известно Пролог-системе. Поэтому его можно использовать, не выписывая каждый раз его определение (более полно встроенные предикаты описываются в гл. 6). Предикат notопределен таким образом, что целевое утверждение not(X)истинно, только если X, рассматриваемое как целевое утверждение, не согласуется с базой данных. Таким образом, not(X)означает, что X недоказуемо как целевое утверждение Пролога,т. е. не согласовано с базой данных. В качестве примера использования notвместо отсечения перепишем два варианта определения предиката суммаследующим образом:

сумма(1,1).

cyммa(N,R):- not(N = 1), N1 is N-1, cyммa(N1,R1),R is N1 + R1.

или

сумма(N,1):- N =‹1.

сумма(N,R):- not(N=‹l), N1 is N-1, сумма(N1,R1 ),R is N1 + R1.

В действительности в Прологе имеются другие удобные встроенные предикаты, которые могут заменить оба из приведенных вхождений предиката not.Например, можно заменить not(N=1)на N\=1,a not(N=‹ 1)на N›1.В общем случае это можно сделать не со всеми возможными условиями.

Использование предиката notвместо отсечения свойственно для хорошего стиля программирования. Это связано с тем, что программы, содержащие отсечения, как правило, более трудны для чтения, чем программы, не содержащие их. Если удается локализовать все вхождения отсечения и заменить их с помощью предиката not, то программа станет более понятной. Однако определение not предполагает попытку доказать, что заданное целевое утверждение согласуется с базой данных. Поэтому если мы имеем программу, в общем виде представимую как

A:-B, C

A:-not(B),D

то Прологу для успешного завершения программы может потребоваться две попытки согласовать B.Он должен попытаться согласовать  Bпри просмотре первого правила. Но если затем будет выполнен возврат и рассмотрено второе правило, то он будет вынужден попытаться согласовать  Bвновь, чтобы убедиться, может ли быть согласовано not(B).Такое дублирование приводит к потере эффективности программы, когда условие  Bдостаточно сложно. Этого бы не произошло, если бы вместо приведенной программы мы имели:

A:-B,!,C

A:-D

Таким образом, иногда нужно взвесить преимущества ясной программы по сравнению с преимуществами ее быстрого выполнения. Обсуждение вопроса эффективности приводит нас к последнему примеру, в котором отсечение используется для фиксирования выбора правила. Рассмотрим определение предиката присоединить:

присоединить([],X,X).

присоединить([А|В],С,[А|D]) – присоединить(В,С,D).

Если предикат присоединитьиспользуется лишь в случаях, когда, имея два списка, мы хотим найти список, получающийся в результате добавления элементов второго списка в конец первого, то такая программа неэффективна, поскольку, если выполняется возврат при обработке целевого утверждения вида присоединить([],[a,b,c,d],X), Пролог обязан сделать попытку использовать второе правило, несмотря на то что эта попытка заранее обречена на неудачу. В таком контексте пустота первого списка указывает на то, что первое правило является единственным возможным для использования и эта информация может быть сообщена Прологу с помощью отсечения. В общем случае при применениях Пролог-системы смогут лучше использовать имеющуюся память, если сообщать системе такие сведения, по сравнению с тем, когда она должна хранить информацию о выборе правил, которая в действительности использована не будет. Можно с этой целью переписать наше определение следующим образом:

присоединить([],X,X):-!.

присоединить([А|В],С,[А|D]:- присоединить(В,С,D).

При сделанных предположениях относительно применения предиката присоединитьэто никак не повлияет на то, какие решения найдет программа, но несколько повысит ее эффективность по времени выполнения и объему занятой памяти. В качестве платы за это мы потеряли возможность использования предиката присоединитьв других ситуациях – он больше не будет работать ожидаемым образом, что будет показано в разд. 4.4.

Во втором из перечисленных выше случаев применения отсечение используется в конъюнкции с встроенным предикатом fail– еще одним встроенным предикатом, подобным not. Предикат failне имеет аргументов, это означает, что выполнение целевого утверждения failне зависит от того, какие значения имеют переменные. Действительно, предикат failопределен таким образом, что доказательство его согласованности как целевого утверждения всегда заканчивается неудачей и приводит к включению механизма возврата. Это в точности совпадает с тем, что происходит, когда мы пытаемся найти сопоставление для целевого утверждения, для которого в базе данных нет ни фактов, ни правил. Если failвстречается после отсечения, то нормальное выполнение возврата изменится в результате действия механизма отсечения. Данная комбинация «отсечение- fail» оказывается очень полезной на практике.

Давайте обсудим, как можно было бы использовать эту комбинацию в программе вычисления размера налога, который следует уплатить тому или иному человеку. Один из вопросов, на который мы хотели бы получить ответ – это является ли человек «средним налогоплательщиком». В этом случае вычисления были бы очень простыми и не требовали бы рассмотрения множества особых случаев. Давайте определим предикат средний_налогоплательщик, где средний_налогоплательщик(X)означает, что Xявляется средним налогоплательщиком. Например, Френд Влоггс, который женат, имеет двух детей и работает на велосипедном заводе, мог бы рассматриваться как действительно средний налогоплательщик. Однако директор-распорядитель нефтяной компании получает, по-видимому, достаточно много, а пенсионер – слишком мало, чтобы в обоих случаях был приемлем один и тот же способ вычисления налога. Нам следовало бы начать с особого случая. Возможно, что на иностранного гражданина распространяются особые налоговые законы, так как он может иметь налоговые обязательства также и в своей стране. Поэтому, каким бы средним он ни являлся в других отношениях, иностранец не будет классифицирован как средний налогоплательщик. Мы можем начать запись правил об этом следующим образом: